Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблема интенсификации теплообмена в современной теплотехнике 35
1 1 Актуальность проблемы Условия, определяющие выбор метода интенсификации теплообмена 35
1 2 Экспериментальные исследования методов интенсификации теплообмена . 42
1 3 Теоретические методы расчета интенсификации теплообмена современное состояние вопроса и обоснование необходимости их дальнейшего совершенствования 45
1.4 Постановка задачи теоретического исследования 58
ГЛАВА 2 Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами 60
2 1 Моделирование интенсифицированного изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах на основе четырехслоиной схемы турбулентного пограничного слоя 60
2 1 1 Модификация четырехслоиной модели турбулентного пограничного слоя для условий высоких турбулизаторов или теплоносителей в виде капельных жидкостей 60
2 1 2 Моделирование изотермического сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена на основе четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя 84
2 1 3 Моделирование изотермического сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для условий плавно очерченных турбулизаторов . 85
2 1 4 Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для случаев относительно высоких выступов и больших или малых шагов 91
2 14 1 Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для случаев относительно высоких выступов и очень больших шагов 92
2 14 2 Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для случаев относительно высоких выступов и малых шагов 97
2 1 5 Зависимость теплообмена и гидравлического сопротивления для труб с высокими турбулизаторами от величины шага между ними Задача о выборе оптимального шага между турбулизаторами . 100
2 1 6 Проблема интенсификации теплообмена при высоких числах Рейнольдса(Ке>106) 107
2 2 Моделирование интенсифицированного теплообмена на основе интегральных соотношений С.С Кутателадзе—А И Леонтьева для турбулентного пограничного слоя . 121
2 2 1 Аналитическое решение интегрального уравнения энергии для теплового пограничного слоя для открытых впадин 123
2 2 11 Тепловой пограничный слой за выступом (отрыв) 123
2 212 Тепловой пограничный слой после точки присоединения (присоединение) 124
2 2 13 Число Нуссельта для рассматриваемого вида канала 126
2 2 21 Аналитическое решение интегрального уравнения импульсов для динамического пограничного слоя для открытых впадин 126
2 2 2 2 Динамический пограничный слой после точки присоединения (присоединение) 126
2 2 2 3 Динамический пограничный слой за выступом (отрыв) 126
2 2 2 4 Осредненные значения касательного напряжения трения 129
2 2 2 5 Коэффициент сопротивления трению 129
2 2 2 6 Аналитическое решение интегрального уравнения импульсов для динамического пограничного слоя для открытых впадин при линейном профиле скорости на его границе . 131
2 2 2 7 Моделирование теплообмена и трения на основе интегральных соотношений С С Кутателадзе—А И Леонтьева в продольно омываемых пучках труб с поперечным оребрение. 133
2 3 Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в каналах с турбулизаторами с помощью зональной низкорейнольдсовой модели Ментера ... 138
23 1 Расчетная сетка Расчет траекторий и окружных скоростей 140
2 3 2 Модификация вычислительного комплекса для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для труб с турбулизаторами 146
2 3 3 Верификация вычислительного комплекса для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для труб с турбулизаторами 148
2 34 Анализ результатов параметрических исследований 151
2 3 4 1 Влияние формы выступов, их высоты и шага, а также числа Рейнольдса на интегральные характеристики . 151
2 3 4 2 Обобщающие эмпирические зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для труб с турбулизаторами различного поперечного сечения. . .. 156
2 3 4 3 Влияние геометрических и режимных параметров структурные особенности течения и локальную теплоотдачу 158
2 4 Корреляционный анализ используемых теоретических моделей исследования теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена 173
2 5 Основные выводы и практические рекомендации по расчету изотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена 188
ГЛАВА 3 Моделирование неизотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами . 192
3 1 Моделирование неизотермического теплообмена при турбулентном течении газообразного теплоносителя в трубах в условиях интенсификации теплообмена 199
3 2 Моделирование неизотермического теплообмена при турбулентном течении теплоносителя в виде капельной жидкости в трубах в условиях интенсификации теплообмена 206
3 3 Моделирование неизотермического сопротивления при турбулентном течении теплоносителя в трубах в условиях интенсификации теплообмена 216
3 4 Моделирование неизотермического гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для случаев относительно высоких выступов и очень больших или очень малых шагов 229
3 5 Общие практические рекомендации по расчету неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах в условиях интенсификации теплообмена 239
3 6 Основные выводы относительно моделирования неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах в условиях интенсификации теплообмена . 241
ГЛАВА 4 Моделирование неизотермического теплообмена и сопротивления при течении реактивного топлива (РТ) сверхкритических давлений (СКД) в условиях интенсификации теплообмена 242
4 1 Моделирование неизотермического теплообмена при течении
реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях
интенсификации теплообмена 247
4 2 Моделирование неизотермического сопротивления при течении топлива
сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена 280
4 3 Основные выводы и практические рекомендации по моделированию
неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при
турбулентном течении в трубах реактивного топлива сверхкритических
давлений в условиях интенсификации теплообмена . 292
ГЛАВА 5 Моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах в условиях интенсификации теплообмена с помощью поверхностных турбулизаторов 295
5.1 Моделирование гидравлического сопротивления в условиях интенсификации теплообмена для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами 318
5 1 1 Расчетные зависимости для радиуса максимальной скорости для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами 298
5 2 Моделирование теплообмена в условиях интенсификации теплообмена для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами 311
5 3 Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного слоя 318
5 4 Моделирование интенсифицированного теплообмена в продольно
омываемых пучках труб с поперечным оребрением с помощью
шестислойной модели турбулентного пограничного слоя 324
5 4 1 Интенсификация теплообмена в продольно омываемых пучках труб с поперечным оребрением . 324
5 4 2 Математическая модель теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами 326
5 5 Основные выводы и практические рекомендации по моделированию
теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских
каналов и продольно обтекаемых пучков труб с турбулизаторами 335
ГЛАВА 6 Моделирование предельного теплообмена посредством турбулизации потока в каналах 337
6 1 Моделирование предельного изотермического теплообмена посредством турбулизации потока в каналах 337
6 1 1 Предельный изотермический теплообмен в трубах с точки зрения турбулизации 337
6 111 Моделирование предельного изотермического теплообмена в трубах с точки зрения турбулизации на основе двухслойной модели турбулентного пограничного слоя 337
6112 Моделирование предельного изотермического теплообмена в трубах с точки зрения турбулизации на основе трехслойной модели турбулентного пограничного слоя . 341
6 113 Моделирование предельных изотермических теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах за счет турбулизации потока 350
6 114 Моделирование предельного изотермического сопротивления при турбулентном течении за счет турбулизации потока в шероховатых трубах малого диаметра 366
6 115 Моделирование предельного изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах за счет турбулизации потока на базе уравнения баланса турбулентной пульсационной энергии 376
6 1 2 Моделирование предельного изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах за счет турбулизации потока для условий применения ленточных закручивателей в трубах с турбулизаторами 378
6 12 1 Модель предельного изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах за счет турбулизации потока для условий применения ленточных закручивателей в трубах с турбулизаторами 380
6 2 Моделирование предельного изотермического теплообмена посредством турбулизации потока в кольцевых и плоских каналах 392
6 2 1 Моделирование предельного изотермического теплообмена посредством турбулизации потока в кольцевых каналах 392
6 2 2 Моделирование предельного теплообмена при искусственой турбулизации потока в плоских каналах 398
6 3 Моделирование предельного неизотермического теплообмена посредством турбулизации потока в каналах 441
6 3 1 Моделирование предельного неизотермического теплообмена посредством турбулизации потока в каналах для газообразных теплоносителей . . 441
6 3 11 Влияние неизотермичности на предельный теплообмен посредством турбулизации потока . 441
6 3 12 Моделирование интенсификации предельного неизотермического теплообмена 415
6313 Расчет предельного неизотермического сопротивления 415
6 3 14 Расчет предельного неизотермического теплообмена 416
6 315 Расчет предельного неизотермического теплообмена с помощью дополнительного допущения wx I wx = 1 420
6 3 16 Анализ расчетных значений предельного неизотермического теплообмена и сопротивления для газообразного теплоносителя 423
6 3 17 Основные выводы относительно моделирования предельного неизотермического теплообмена посредством турбулизации потока в каналах для газообразного теплоносителя 424
6 3 2 Моделирование предельного неизотермического теплообмена посредством турбулизации потока в каналах для теплоносителей в виде капельных жидкостей 427
6 3 2 1 Влияние неизотермичности на предельный теплообмен для капельных жидкостей посредством турбулизации потока 427
6 3 2 2 Моделирование интенсификации предельного неизотермического теплообмена для капельной жидкости 428
6 3 2 3 Расчет предельного неизотермического сопротивления для капельной жидкости . . 429
6 3 2 4 Расчет предельного неизотермического теплообмена для капельной жидкости 430
6 3 2 5 Анализ расчетных значений предельного неизотермического теплообмена и сопротивления для капельных жидкостей 434
6 3 3 Решении задачи о предельном теплообмене в трубах с точки зрения турбулизации потока с учетом неизотермичности на основе двухслойной схемы турбулентного пограничного слоя 437
6 3 4 Основные выводы относительно моделирования предельного неизотермического теплообмена посредством турбулизации потока в каналах 442
6 4 Общие выводы и практические рекомендации по моделированию
предельного теплообмена посредством турбулизации потока в каналах 444
ГЛАВА 7 Моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками 446
7 1 Сущность и механизм интенсификации теплообмена с помощью поперечных канавок в кольцевых каналах и в продольно омываемых пучках труб 446
7 2 Моделирование теплообмена и трения в кольцевом канале с канавками на внутренней трубе 448
7 2 1 Моделирование теплообмена и трения в канале с канавками на внутренней трубе в турбулентном пограничном слое 452
7 211 Теплообмен на стенке . 452
7 2 12 Теплообмен в канавке 452
7 213 Осредненный теплообмен в канале . 452
7 2 21 Трение на стенке 453
7 2 2 2 Трение в канавке 453
7 2 2 3 Осредненный коэффициент напряжений трения 453
7 2 2 4 Коэффициент сопротивления трению 454
7 2 3 Расчет теплообмена и трения в кольцевом канале с канавками на внутренней трубе 455
7 3 Теплообмен и трение в продольно омываемых пучках труб с канавками . 463
7 4 Интенсификация теплообмена в кольцевых каналах при односторонних комбинированных турбулизаторах типа "выступ—канавка" 470
7 4 1 Моделирование теплообмена и трения в кольцевых каналах при односторонних комбинированных 11 турбулизаторах типа "выступ—канавка" . 474
7 4 11 Теплообмен между выступами 474
7 4 12 Теплообмен в канавке 476
7 4 13 Осредненный теплообмен в кольцевом канале при односторонних
комбинированных турбулизаторах типа "выступ—канавка" 476
7 4 2 1 Трение между выступами 476
7 4 2 2 Трение в канавке 477
7 4 2 3 Осредненный коэффициент напряжений трения 477
7 4 2 4 Коэффициент сопротивления трению 477
7 5 Основные выводы и практические рекомендации по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками 481
ГЛАВА 8 Технические приложения моделирования теплообмена в условиях его интенсификации при турбулентном течении в каналах . 483
8ю1 Интенсификация теплообмена в каналах системы охлаждения реактивных двигателей в целях снижения температуры стенок без поверхностных отложений . . 483
8 1 1 Постановка задачи исследования 484
8 1 2 Описание математической модели 486
8 1 3 Описание расчетной модели 488
814 Результаты исследования выводы 490
8 2 Интенсификация теплообмена в каналах системы охлаждения реактивных двигателей в целях уменьшения образования отложений на поверхностях каналов . 495
8 2 1 Постановка задачи исследования и описание математической модели . 496
8 2 2 Результаты исследования 497
8 3 Влияние теплового потока на температуру стенки 499
8 4 Основные выводы относительно интенсификации теплообмена в каналах системы охлаждения реактивных двигателей 504
Заключение 505
Список использованной литературы
- Экспериментальные исследования методов интенсификации теплообмена
- Моделирование изотермического сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для условий плавно очерченных турбулизаторов
- Моделирование неизотермического теплообмена при турбулентном течении теплоносителя в виде капельной жидкости в трубах в условиях интенсификации теплообмена
- Моделирование предельного изотермического сопротивления при турбулентном течении за счет турбулизации потока в шероховатых трубах малого диаметра
Введение к работе
Теплообменные аппараты находят очень широкое применение и играют большую роль в энергетике, химической промышленности, нефтеперабатывающей промышленности, в холодильной технике, в криогенной технике, а также в тепловых двигателях
В авиационной технике теплообменные устройства также нашли широкое применение для охлаждения элементов двигателей и конструкций летательных аппаратов, приборных отсеков и кабин самолетов Такие теплообменники должны обладать малыми габаритными размерами и массой, должны обладать высокой эксплуатационной надежностью
Самым перспективным путем увеличения компактности теплообменных аппаратов является интенсификация теплообмена в каналах Следовательно, проблема интенсификации теплообмена в каналах является актуальнейшей в данном отношении
Имеющиеся многочисленные исследования по интенсификации теплообмена, число которых год от года растет, постулируют противоречивые результаты С другой стороны, методы интенсификации теплообмена, предлагаемые в вышеупомянутых исследованиях, не всегда высокоэффективны и (или) высокотехнологичны Сложившаяся ситуация в отношении различных методов исследований интенсификации теплообмена вносит значительные затруднения в их оценку, а также обоснованный выбор эффективности метода интенсификации теплообмена Вышесказанное редуцирует использование различных методов интенсификации теплообмена, что, в свою очередь, приводит к повышенным экономическим потерям и затормаживает дальнейшее совершенствование выпускаемой продукции, приводит к повышенной металлоемкости последней
В данной диссертационной работе уделяется основное внимание возможности расчета теплообмена и гидравлического сопротивления при использовании интенсификации теплообмена в каналах посредством искусственной турбулизации по- тока при турбулентном течении в них однофазных теплоносителей на основе математического моделирования реализуемых процессов течения и теплообмена
Данная диссертационная работа посвящена решению актуальной научной проблемы — математическому моделированию интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с искусственной турбулизацией потока в пристенной области течения для теплоносителей с постоянными и переменными те-плофизическими свойствами по толщине пограничного слоя с целью выработки рекомендаций по созданию высокоэффективных теплообменных аппаратов за счет вихревой интенсификации теплообмена, приводящей к опережающему росту теплообмена над ростом гидравлического сопротивления при определенном выборе геометрических и режимных параметров
Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что теплообменные аппараты, входящие в состав энергетических и двигательных установок космических и других летательных аппаратов могут определять массогабаритные и рабочие характеристики этих установок и аппаратов и что исследование процессов интенсификации теплообмена имеет большое значение для снижения массогабаритных характеристик и повышения эффективности авиационно-космической техники
Большое значение выполненные исследования имеют и для энергетики и для других областей техники Исследования интенсифицированного теплообмена открывают пути создания энергосберегающих и материалосберегающих технологий на базе разработанных в диссертации фундаментальных основ математического моделирования процессов интенсифицированного теплообмена
Наиболее существенные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы лично соискателем, можно охарактеризовать следующим образом
Результаты математического моделирования изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на основе разработанной автором модифицированной четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя, которая, в отличие от существующих моделей, была модифицирована для условий капельных жидкостей для высоких турбулизаторов и широкого диапазона ша- гов между турбулизаторами и для плавно очерченных турбулизаторов Это модель пограничного слоя применима для высоких чисел Рейнольдса (Re>106) и позволяет рассчитать теплообмен не только для гладких, но и для шероховатых труб с турбулизаторами
Результаты математического моделирования на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя При этом было получено аналитическое решение задачи о теплообмене на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Кутателадзе—Леонтьева для круглых труб с турбулизаторами и для продольно омываемых пучков труб с поперечным оребрением Аналитические решения позволили существенно расширить диапазон определяющих параметров
Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в каналах с турбулизаторами с помощью зональной низкореинольдсовои модели Ментера с учетом влияния формы выступов, их высоты и шага, а также числа Рейнольдса на интегральные характеристики, а также влияния геометрических и режимных параметров на структурные особенности течения и локальную теплоотдачу
Проведено математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, как для газообразных теплоносителей, так и для несжимаемой жидкости
Проведено математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при течении реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена
Проведено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, а также в продольно обтекаемых пучков труб с поперечным оребрением
Получены расчетные зависимости для радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами
Проведено математическое моделирование предельных изотермических и неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах на основе двухслойной и трехслойной моделей турбулентного пограничного слоя
Проведен численный расчет предельного изотермического сопротивления в шероховатых трубах малого диаметра
Проведено математическое моделирование предельного изотермического теплообмена при применении ленточных закручивателей в трубах с турбулизаторами
Осуществлено математическое моделирование предельного изотермического теплообмена в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами на основе шести-слойной модели турбулентного пограничного слоя с применением гипотезы о расположении точек максимальной скорости
Проведено математическое моделирование предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах для газообразных теплоносителей и для несжимаемой капельной жидкости
Проведено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками (в круглой трубе, кольцевом канале с канавками на внутренней трубе, а также в продольно омываемых пучках труб с канавками) и было получено аналитическое решение задачи о теплообмене и гидравлическом сопротивлении для труб с поперечными кольцевыми канавками с помощью решения задач как для вихревого течения в канавке, так и для пограничного слоя на стенке трубы с помощью интегральных соотношений для турбулентных пограничных слоев, которое выгодно отличается от существующих решений отсутствием допущений и расширенным диапазоном определяющих параметров
Осуществлено моделирование теплообмена и трения в кольцевых каналах при односторонних комбинированных турбулизаторах типа "выступ—канавка" При этом получены отдельные решения задач о теплообмене для канавки и для стенки между выступами, а основным допущением являлась одинаковость выступов у комбинированных турбулизаторах типа "выступ—канавка"
Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций заключается в следующем
Теоретические исследования, проведенные в данной диссертационной работе, а также разработанные программы для персональных компьютеров (ПК), с достаточной степенью точности отражают реальную картину физических процессов, имеющих место в каналах ТА, интенсифицированных посредством поверхностных периодических расположенных турбулизаторов потока, что было подтверждено экспериментально Обоснованность и достоверность разработанных автором методов, теоретических положений и сделанных выводов подтверждается совпадением результатов численного моделирования с экспериментальными данными различных авторов
Проведено достоверное теоретическое исследование по локальному и осред-ненному теплообмену для широкого диапазона параметров потока и геометрических параметров турбулизаторов Достоверность полученных результатов подтверждается высокой точностью методов расчета и эксперимента и совпадением результатов расчета интегральными методами с результатами полученных аналитических решений для локального и осредненного интенсифицированного теплообмена
Научная новизна, полученная в данной диссертационной работе, заключается в следующем
Впервые осуществлено теоретическое исследование изотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов с помощью трех независимых методик четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя, интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя, численный метод на основе многоблочных вычислительных технологий, основанных на решении факто-ризованным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ) Ранее зональная низкорейнольдсовая модель Ментера практически на применялась для расчета течений в трубах с турбулизаторами, локальные характеристики течения и теп- лообмена в трубах с турбулизаторами ранее практически не детерминировались теоретическим образом Расчетные соотношения, получаемые с помощью вышеуказанных методов находятся в хорошей корреляции с существующим экспериментальными данными, кроме того, они могут использоваться и в расширенном диапазоне определяющих параметров Все три вышеупомянутых расчетных метода могут использоваться для расчета осредненных параметров теплообмена и сопротивления, а ФКОМ, кроме того, и для расчета локальных характеристик течения Все полученные результаты являются новыми Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для гладких и шероховатых труб с турбулизаторами вышеуказанным методикам
Впервые осуществлено теоретическое исследование неизотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов Полученные теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для данных условий для различных видов теплоносителей, практически соответствующие экспериментальным данным, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона формопа-раметров и режимов течения Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей (газ, капельная жидкость) с переменными теплофизическими свойствами, изменяющимися монотонным образом Неизотермический теплообмен и сопротивление в трубах с турбулизаторами детерминировался теоретически на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя практически впервые, ранее только гидравлическое сопротивление определялось лишь опытным путем
Для математического моделирования неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива при сверхкритических давления в условиях интенсификации теплообмена впервые разработана теоретическая модель для расчета неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении РТ СКД в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя Получены теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для условий течения РТ СКД в условиях интенсификации теплообмена, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона параметров и режимов течения Предложены зависимости для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для условий течения РТ СКД Теоретическая модель на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя позволила осуществлять расчет неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена для широкого диапазона геометрических параметров турбулизаторов в диапазоне определяющих температур сверхкритического давления, в котором определены определяющие топливные теплофизические характеристики Для труб с турбулизаторами моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления для условий СКД на основе четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя было проведено впервые, ранее теплообмен и сопротивление определялись только экспериментально
Разработана методика расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами, удовлетворительным образом коррелирующая с имеющимися опытными данными Преимущественное отличие данного подхода к расчету теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами от существующего заключается в том, что сопротивление и теплообмен рассчитываются с единых позиций Предложены соотношения для инженерных расчетов радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами, для теплообмена гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами для диапазона определяющих параметров (геометрических параметров турбулизаторов и режимов течения), более широкого, чем в существующем экспериментальном материале Моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления было проведено впервые на основе семислойной схемы турбулентного пограничного слоя, что является предпочтительным решением, поскольку ранее моделирование проводилось только из решения задачи для внешнего пограничного слоя Решение задачи о теплообмене в продольно обтекаемых пучках труб с поперечным оребрением проведено на основе четырехслойной модели ТПС с подвижной внешней адиабатной границей, что имеет несомненные преимущества перед существующими решениями, полученными на основе распространения закономерностей для внешнего пограничного слоя
Проведено математическое моделирование предельного (изотермического и неизотермического) теплообмена посредством турбулизации потока в каналах на основе двух-, трех- и четырехслойной схем турбулентного пограничного слоя для широкого диапазона геометрических и режимных параметров Задача о предельном изотермическом теплообмене решена как для круглой трубы, так и для кольцевого канала Предложены аналитические соотношения для расчета предельных изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления Рассчитано влияние не-изотермичности на предельные теплообмен и гидравлическое сопротивление для теплоносителей в виде капельных жидкостей и газообразных теплоносителей Приведены аналитические зависимости для инженерных расчетов предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления Предельный теплообмен в кольцевых и плоских каналах с турбулизаторами моделировался на основе шестислойной модели турбулентного пограничного слоя с применением гипотезы о расположении точек максимальной скорости
Осуществлено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством использования поперечных кольцевых канавок в круглых трубах, кольцевых каналах, а также в продольно обтекаемых пучках труб на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Проведено математическое моделирование изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления вышеупомянутым способом при использовании комбинированных турбулизаторов типа "выступ—канавка" в продольно обтекаемых пучках труб Теоретические данные, в достаточной мере соответствующие имеющемуся опытному материалу, позволяют по отношению к последнему расширить диапазон определяющих геометрических параметров канала и режимов течения
Сложный характер условий течения и теплообмена в трубах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на данном этапе не позволяет подвергнуть его описание едиными методом Следовательно, для расчета осред-ненного изотермического теплообмена в инженерных задачах следует применить решения, полученные по четырехслоинои схеме турбулентного пограничного слоя (которые могут быть также получены по интегральными соотношениям С С Кутателадзе—А И Леонтьева и на основе ФКОМ), тот же подход следует применять и для расчета неизотермического теплообмена, для расчета локального теплообмена следует использовать решения, полученные на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя С С Кутателадзе—А И Леонтьева (которые могут быть также на основе ФКОМ), для расчета теплообмена для турбулизаторов различного поперечного сечения следует воспользоваться результатами, полученными на основе решения факторизованным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ). Приведены результирующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена
Полученные теоретические зависимости по теплообмену и гидравлическому сопротивлению позволили рассчитать влияние формы поперечного сечения турбулизаторов на теплообмен и гидравлическое сопротивление в гораздо более широком диапазоне определяющих параметров по относительной высоте турбулизаторов, относительному шагу турбулизаторов, отношению высоты турбулизатора к радиусу его скругления, позволяет рассчитывать теплообмен и гидравлическое сопротивление не только для турбулизаторов полукруглого и сегментного поперечных сечений, но и для турбулизаторов квадратного и треугольного поперечных сечений
Выполненные теоретические исследования интенсифицированного теплообмена позволили обобщить имеющиеся экспериментальные данные и повысить надежность расчетов ТА в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров
Практическое значение работы заключается в следующем
Теоретические зависимости и методики позволяют рассчитывать влияние формы поперечного сечения турбулизаторов на теплообмен и гидравлическое сопротивление в гораздо более широком диапазоне определяющих параметров по относительной высоте турбулизаторов, относительному шагу турбулизаторов, отношению высоты турбулизатора к радиусу его скруглення, позволяет рассчитывать теплообмен и гидравлическое сопротивление не только для турбулизаторов полукруглого и сегментного поперечных сечений, но и для турбулизаторов квадратного и треугольного поперечных сечений Даны исчерпывающие рекомендации для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для исследуемых способов интенсификации теплообмена Разработаны алгоритмы и программы расчета для ПК, позволяющие уже на стадии проектирования прогнозировать локальные и осредненные тепловые нагрузки в зависимости от пределов интенсифицирва-ния теплообмена Даны практические рекомендации по расчету неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами реактивного топлива сверхкритических давлений
Результаты математического моделирования интенсифицированного теплообмена в каналах посредством установки периодически расположенных поверхностных турбулизаторов в качестве технического приложения реализованы в целях интенсификации теплообмена в каналах систем ГПВРД
Внедрение разработанных теоретических методов расчета интенсификации теплообмена позволит существенно сократить габариты и металлоемкость различного рода теплообменников и теплообменных устройств и, в частности, энергетических теплообменников — воздухоподогревателей и котлов и газотурбинных установок (ГТУ), различного рода подогревателей, в том числе пароперегревателей атомных электростанций (АЭС), маслоохладителей, в теплообменных устройствах, при- меняемых в авиационной технике для охлаждения элементов двигателей и конструкций летательных аппаратов, приборных отсеков и кабин самолетов, в частности, в системах охлаждения ГПВРД, и других устройств При заданных массогабаритных показателях установки применение методов интенсификации теплообмена позволит значительно форсировать процесс Внедрение методов интенсификации теплообмена в энергетическом оборудовании обеспечит значительный эффект Расчетные методики, полученные в результате математического моделирования интенсифицированного теплообмена в рамках данной диссертационной работы, могут быть использованы в нормах теплового и аэродинамического (гидравлического) расчета различных теплообменных устройств
В первой главе рассматриваются общие аспекты проблемы интенсификации теплообмена в современной теплотехнике в плане актуальности и условий, определяющих выбор метода интенсификации теплообмена Дан общий анализ развития экспериментального подхода к исследованию методов интенсификации теплообмена, но основной упор делается на динамику развития теоретических методов расчета интенсификации теплообмена, в том числе приводится обзор современного состояния вопроса и обоснование необходимости их дальнейшего совершенствования Анализ приведенного обзорного материала позволяет поставить задачу теоретического исследования данной диссертационной работы
Во второй главе проведено математическое моделирование изотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами на основе модифицированной четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя, адекватную, в том числе, для случая шероховатых труб с турбулизаторами и для высоких чисел Рейнольдса (Re>106), а также на основе интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя Проведено численное моделирование гидродинамики и теплообмена в каналах с турбулизаторами с помощью зональной низко-рейнольдсовой модели Ментера с выявлением влияния формы выступов, их высоты и шага, а также числа Рейнольдса на интегральные характеристики, а также влияния геометрических и режимных параметров структурные особенности течения и локальную теплоотдачу Приведен критический анализ соответствия используемых математических моделей Глава завершается выводами и практическими рекомендациями по расчету изотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах для труб с турбулизаторами
В третьей главе рассматривается математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, как для газообразных теплоносителей, так и для теплоносителей в виде капельной жидкости Завершают главу основные выводы и общие практические рекомендации по расчету неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами
В четвертой главе реализовано математическое моделирование неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления при течении реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена Завершают главу основные выводы и практические рекомендации расчету неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами реактивного топлива сверхкритических давлений
В пятой главе проведено математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в кольцевых и плоских каналах с периодически расположенными поверхностными турбулизаторами, а также в продольно обтекаемых пучков труб с поперечным оребрением Приведены расчетные зависимости для радиуса максимальной скорости для кольцевых каналов с турбулизаторами Завершают главу основные выводы и практические рекомендации по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами
В шестой главе рассмотрено математическое моделирование предельных изотермических и неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах на основе двухслойной и трехслойной моделей турбулентного пограничного слоя Проведен расчет предельного изотерми- ческого сопротивления в шероховатых трубах малого диаметра Сделано математическое моделирование предельного изотермического теплообмена при применении ленточных закручивателей в трубах с турбулизаторами Осуществлено математическое моделирование предельного изотермического теплообмена в кольцевых и плоских каналах Проведено математическое моделирование предельных неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах для газообразных теплоносителей и для теплоносителей в виде капельной жидкости Глава заканчивается общими выводами и практическими рекомендациями по расчету изотермического и неизотермического теплообмена и гидравлического сопротивления посредством турбулизации потока в каналах
В седьмой главе реализовано математическое моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками Проведено математическое моделирование теплообмена и трения в круглой трубе с поперечными кольцевыми канавками, кольцевом канале с канавками на внутренней трубе, а также в продольно омываемых пучках труб с канавками Осуществлено моделирование теплообмена и трения в кольцевых каналах при односторонних комбинированных турбулизаторах типа "выступ—канавка" Завершается глава основными выводами и практическими рекомендациями по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками
В восьмой главе реализуется техническое приложение разработанной в данной диссертационной работе теории — математическое моделирование интенсификации теплообмена в каналах систем охлаждения гиперзвуковых ракетных двигателей (ГПВРД) как в целях снижения температуры стенок без поверхностных отложений, так и в целях уменьшения образования отложений на поверхностях каналов Приведены соответствующие результаты теоретических расчетов и зависимости для инженерно-конструкторских исследований систем охлаждения ГПВРД
Диссертация заканчивается общими выводами и рекомендациями
По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Авиационно-космической теплотехники" (204) Московского авиационного института (государственного техни- ческого университета), научный консультант — заслуженный деятель науки РФ, действительный член Академии инженерных наук РФ, лауреат Государственных премий СССР и РСФСР, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 204 МАИ (ГТУ), Дрейцер Генрих Александрович
Экспериментальные исследования методов интенсификации теплообмена
Теоретические исследования, проведенные в данной диссертационной работе, а также разработанные программы для персональных компьютеров (ПК), с достаточной степенью точности отражают реальную картину физических процессов, имеющих место в каналах ТА, интенсифицированных посредством поверхностных периодических расположенных турбулизаторов потока, что было подтверждено экспериментально Обоснованность и достоверность разработанных автором методов, теоретических положений и сделанных выводов подтверждается совпадением результатов численного моделирования с экспериментальными данными различных авторов
Проведено достоверное теоретическое исследование по локальному и осред-ненному теплообмену для широкого диапазона параметров потока и геометрических параметров турбулизаторов Достоверность полученных результатов подтверждается высокой точностью методов расчета и эксперимента и совпадением результатов расчета интегральными методами с результатами полученных аналитических решений для локального и осредненного интенсифицированного теплообмена
Научная новизна, полученная в данной диссертационной работе, заключается в следующем
Впервые осуществлено теоретическое исследование изотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов с помощью трех независимых методик четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя, интегральных соотношений для турбулентного пограничного слоя, численный метод на основе многоблочных вычислительных технологий, основанных на решении факто-ризованным конечно-объемным методом уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера, и уравнения энергии на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках (ФКОМ) Ранее зональная низкорейнольдсовая модель Ментера практически на применялась для расчета течений в трубах с турбулизаторами, локальные характеристики течения и теп 26 лообмена в трубах с турбулизаторами ранее практически не детерминировались теоретическим образом Расчетные соотношения, получаемые с помощью вышеуказанных методов находятся в хорошей корреляции с существующим экспериментальными данными, кроме того, они могут использоваться и в расширенном диапазоне определяющих параметров Все три вышеупомянутых расчетных метода могут использоваться для расчета осредненных параметров теплообмена и сопротивления, а ФКОМ, кроме того, и для расчета локальных характеристик течения Все полученные результаты являются новыми Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для гладких и шероховатых труб с турбулизаторами вышеуказанным методикам
Впервые осуществлено теоретическое исследование неизотермического теплообмена и сопротивления для условий интенсификации теплообмена посредством периодических поверхностно расположенных турбулизаторов Полученные теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для данных условий для различных видов теплоносителей, практически соответствующие экспериментальным данным, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона формопа-раметров и режимов течения Предложены соответствующие соотношения для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей (газ, капельная жидкость) с переменными теплофизическими свойствами, изменяющимися монотонным образом Неизотермический теплообмен и сопротивление в трубах с турбулизаторами детерминировался теоретически на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя практически впервые, ранее только гидравлическое сопротивление определялось лишь опытным путем
Для математического моделирования неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива при сверхкритических давления в условиях интенсификации теплообмена впервые разработана теоретическая модель для расчета неизотермического теплообмена и сопротивления при турбулентном течении РТ СКД в трубах в условиях интенсификации теплообмена для различных видов теплоносителей на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя Получены теоретические расчетные данные относительно неизотермического теплообмена и сопротивления для условий течения РТ СКД в условиях интенсификации теплообмена, выгодно отличающиеся от всех полученных ранее в плане более высокого уровня расчетной модели, позволяющей получить более точные расчетные данные для более широкого диапазона параметров и режимов течения Предложены зависимости для инженерных расчетов теплообмена и гидравлического сопротивления для условий течения РТ СКД Теоретическая модель на основе четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя позволила осуществлять расчет неизотермических теплообмена и гидравлического сопротивления при турбулентном течении в трубах реактивного топлива сверхкритических давлений в условиях интенсификации теплообмена для широкого диапазона геометрических параметров турбулизаторов в диапазоне определяющих температур сверхкритического давления, в котором определены определяющие топливные теплофизические характеристики Для труб с турбулизаторами моделирование теплообмена и гидравлического сопротивления для условий СКД на основе четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя было проведено впервые, ранее теплообмен и сопротивление определялись только экспериментально
Моделирование изотермического сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена для условий плавно очерченных турбулизаторов
Выражение (2 3) было получено в [37, 38, 119] путем интегрирования уравнения энергии для трубы при условии Ргг=1 и c/n,=const для получения выражения для толщины пристенного слоя, в котором "срабатывается" 99% общего температурного напора стенки — ось трубы
Расчетные значения теплообмена по четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя, модифицированной в данном разделе, приведены на рис 2 13, где показано влияние высоты диафрагмы на интенсификацию теплообмена на воде (Р 3,2) для 070=0,88-1,00 при Re=4 104, Ш=0,5 Из рис 2 13 видно отличное соответствие между расчетными данными, полученными по модифицированной четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя с экспериментальными данными [37, 38, 119] На этом же рисунке приведены расчетные значения теплообмена по четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя без вышеуказанных модификаций, которые показывают, что рост теплообмена продолжает расти и после того, как высота выступа превышает высоту пристенного слоя, что не соответствует опытным данным
Данная модификация четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя позволяет теоретическим образом получить вывод о том, что интенсификация теплообмена выше для газов, чем для жидкостей, потому что для газов высота пристенного слоя выше (см формулу 2 14), что позволяет использовать турбулизаторы для турбулизации пристенного слоя большей высоты
Таким образом, модифицированная четырехслойная схема турбулентного по граничного слоя позволяет адекватным образом рассчитывать теплообмен в условиях его интенсификации как для турбулизаторов, высота которой меньше, равна или больше высоты пристенного слоя для газообразных теплоносителей, так и для теплоносителей в виде капельной жидкости, что иллюстрируют расчетные и экспериментальные данные, приведенные на рис 2 11
Следовательно, моделирование теплообмена в условиях его интенсификации при турбулентном течении посредством применения модифицированной четырехслоинои схемы турбулентного пограничного слоя позволяет адекватно описывать процесс интенсифицированного теплообмена для широкого диапазона относительных высот турбулизаторов и режимов течения, окончательные аналитические выражения для расчета теплообмена приведены в Приложении II
При моделировании изотермического теплообмена на основе четырехслоинои схемы турбулентного пограничного слоя значение коэффициента гидравлического сопротивления определялось независимым образом Следовательно, возникает вопрос об определении коэффициента гидравлического сопротивления непосредственно из четырехслоинои схемы потока
Моделирование гидравлического сопротивления при течении в каналах теплоносителей с постоянными теплофизическими свойствами в условиях интенсификации теплообмена трубах моделируется на базе использования четырехслоинои схемы турбулентного потока следующим образом
Уравнение для определения сопротивления % турбулизированного потока приведено в Приложении III. Получаемое трансцендентное уравнение относительно коэффициента сопро тивления решается численное решение которого для Re=104 в зависимости от параметра h/D представлено на рис 2 14—2 15 Там же приведены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению для различных значений относительного шага турбулизаторов /0=0,25, 0,5 ,1,0 [38, 119]
Расчетные данные по гидравлическому сопротивлению %, приведенные на рис 2 14—2 15, показывают следующее В районе низких значений относительной высоты турбулизатора они располагаются между экспериментальными значениями Ь для Ш=0,25 и 1,0 В районе средних значений относительной высоты турбулизатора они примерно равны экспериментальными значениями % для Ш=0,25 и 0,5 В районе высоких значений относительной высоты турбулизатора они примерно равны экспериментальными значениями с, для Ш=1,0 Данные расхождения имеют место в результате того, что данная модель расчета гидравлического сопротивления автомодельна относительно параметра t/D
Следовательно, представленная в данном разделе модель расчета гидравлического сопротивления адекватно согласуется с имеющимися экспериментальными данными в районе низких значений относительной высоты турбулизатора они ближе к экспериментальными значениями для =1,0, в районе средних — к t/D=0,25 и 0,5, в районе высоких — к f/D=1,0
Моделирование неизотермического теплообмена при турбулентном течении теплоносителя в виде капельной жидкости в трубах в условиях интенсификации теплообмена
При уменьшении относительного шага между турбулизаторами (t/D или Щ до значений меньше единицы примененная в 2 1 4 1 методика расчета интегрального теплообмена, справедливая — что убедительно доказано выше в данной главе — для средних и больших шагов между турбулизаторами, уже не будет оставаться таковой
Следует напомнить, что интересующая нас в рамках данного раздела область малых шагов между турбулизаторами соответствует т н закрытым впадинам, а область средних и больших шагов — полуоткрытым и открытым соответственно
Теплообмен в области закрытых впадинах относительно подробно рассматривался в [35] с экспериментальной точки зрения, где было показано, что относительно значительное повышение гидравлического сопротивления, реализуемое в условиях закрытых впадин, не приводит к ощутимому росту теплообмена Экспериментальные данные и эмпирические зависимости по гидравлическому сопротивлению и теплообмену в закрытых впадинах приведены также в [38,119]
С теоретической точки зрения, расчет по вышеприведенной четырехслойной модели турбулентного пограничного слоя для условий закрытых впадин должен дать завышенные результаты по сравнению с экспериментом Следовательно, имеет место необходимость генерации теоретической расчетной модели, адекватным образом описывающей теплообменные характеристики для условий закрытых впадин (большие высоты турбулизаторов и малые шаги между турбулизаторами)
Основными особенностями условий теплообмена в условиях закрытых впадин являются следующие
1 ощутимое повышение полной площади шероховатой поверхности по сравне нию с гладкой, т е довольно значительно снижение параметра снижение уровня турбулентности струи в области турбулентного ядра потока вследствие ее дросселирования, вызванного уменьшением толщины последней из-за применения очень высоких выступов,
3 при больших значениях коэффициента гидравлического сопротивления, имеющих место при высоких выступах и малых шагов между ними, будет иметь место предельная турбулизация пристенных слоев, поэтому величина коэффициента сопротивления в области вышеуказанных слоев должна быть в соответствии с этим скорректирована (особенности данного подхода уже были рассмотрены при решении задачи о предельном теплообмене с точки зрения турбулизации потока на основе трехслойной схемы турбулентного пограничного слоя в 1 1 2, а также в работах [63—65, 68])
Рассмотрим подробнее особенность теплообмена в закрытых впадинах, связанную с ощутимым повышением площади шероховатой поверхности в сравнении с гладкой Если моделировать поверхность трубы с турбулизаторами на основе замены турбулизаторов произвольного профиля турбулизаторами прямоугольного профиля с шагом /, высотой л, и шириной s с эквивалентной поверхностью, то, после относительно несложных преобразований, можно получить следующее выражение для которое может быть применено для расчета относительной поверхности теплообмена для любых значений шага и высоты турбулизатора
Интересно, что может иметь место случай, когда п 1, т е площадь гладкой поверхности может превышать площадь поверхности с турбулизаторами — это будет
Однако, последний случай мало ин тересен, потому что, например, при o7D=0,90 для обеспечения условия п 1 s/h должно быть больше, чем 9,5, т е ширина выступа должна быть больше его высоты почти в 10 раз Естественно, что турбулизаторы подобной конфигурации на практике редко применяются
В целях обеспечения эквивалентности условий сравнения эффективности поверхностей закрытых впадин, необходимо ширину турбулизатора s- 0 ( бесконечно узкий" турбулизатор), потому что постоянное значение s на разных шагах будет вносить неодинаковый вклад, поэтому формуле (2 7) практически почти полностью совпадает с данными, приведенными в [38, 119], что указывает на незначительность погрешности, связанной с введением "бесконечно узкого" турбулизатора
Поджатие струи вследствие применения высоких турбулизаторов деформирует профиль скорости в области турбулентного ядра, который определяется посредством применения уравнения баланса пульсационной энергии по методике, изложенной в [63—65, 68]
Расчет теплообмена для закрытых впадин по четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя с учетом вышеуказанных допущений производился для следующих режимов и геометрических параметров турбулизаторов Re=104-4105, d/D=0,9, //0=0,5-0,1 (///7=2-10) На рис 2 21 представлена зависимость относительного теплообмена Nu/Num в зависимости от относительного шага турбулизаторов //0=0,5-0,1 для cf/D=0,9 и Re=105 и Re=4 105 соответственно Характер приведенных зависимостей полностью соответствует физическим основам процессов теплообмена, реализуемых в условиях закрытых впадин Расчетные данные, приведенные на рис 2 21, показывают, что в области очень коротких шагов (/D=0,1-0,3) увеличения теплоотдачи почти не происходит, несмотря на большое повышение гидравлического сопротивления
Теоретические данные подтверждаются экспериментальными, взятыми из [38, 119] сравнение теоретических и экспериментальных данных показано на рис 2 22— 2 23 для c//D=0,90, //0=0,50 и Ш=0,25 соответственно Редукция существующих экспериментальных данных по отношению к теоретическим, полученным в рамках данного раздела, для закрытых впадин заключается в том, что последние могут адекватно описывать соответствующие процессы теплообмена в более широком диапазоне геометрических характеристик турбулизаторов и режимов течения
Т о, теоретические данные по теплообмену, полученные в данном разделе, частично подтверждающиеся экспериментом, позволяют категорически утверждать, что применение интенсификации теплообмена посредством высоких выступов с коротким шагом (закрытые впадины) явно не рационально
Моделирование предельного изотермического сопротивления при турбулентном течении за счет турбулизации потока в шероховатых трубах малого диаметра
Применение интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб (рис 518) посредством поперечного оребрения обусловливается следующими причинами Известно [38, 119], что применение кольцевых канавок для интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб эффективно только для тесных пучков При применении относительно раздвинутых пучков труб с относительным шагом труб в пучке S D {S — шаг между цилиндрами, D — диаметр цилиндра), большим 1,3-1,5, применение для интенсификации теплообмена кольцевых канавок дает незначительный эффект при оптимальной интенсификации внутри труб В таких пучках более эффективно применение поперечного оребрения При этом оребряться могут как гладкие трубки, так и трубки с интенсификацией теплообмена внутри В последнем случае высота накатки внутри труб и высота ребер снаружи могут выбираться независимо друг от друга
Экспериментальные исследования интенсификации теплоотдачи оребре-нием в продольно омываемых пучках труб малочисленны и не дают обобщающих рекомендаций для расчета при различных определяющих параметров S D, h d,, и / h [38,119] Сравнительно легко изготовляемое наружное оребрение, в том числе проволочными кольцами или намоткой проволочной спирали, целесообразно для интенсификации теплообмена снаружи труб
Экспериментальные исследования интенсификации теплообмена при продольном обтекании пучков труб связаны с трудностями изготовления экспериментальных участков с большим числом труб с турбулизаторами
Учитывая вышесказанное, может быть поставлена следующая задача ис следования необходимо разработать методику расчета теплообмена и гидравлического сопротивления для условий данного метода интенсификации теплообмена — применения поперечного оребрения в продольно омываемых пучках труб, — поскольку до настоящего времени этот метод интенсификации теплообмена исследовался преимущественно экспериментальным образом для отдельных частных задач
В данном исследовании рассматривается продольно омываемый шахматный пучок труб с поперечным оребрением, поскольку он почти повсеместно распространен
Турбулентный поток в канале, образованном продольно омываемым шахматным пучком труб с поперечным оребрением, моделируется посредством постановки ему в соответствие потока в шестиугольном канале, которому, в свою очередь, ставится в соответствие эквивалентный кольцевой канал с соответствующими профилями продольной скорости и тангенциальных напряжений трения, показанных на рис 519 Нарис 5 20 показана схема соответствия шестиугольного канала и эквивалентного ему кольцевого канала при сохранении вышеуказанного профиля скорости (рис 5 20)
Замена шестиугольного канала с апофемой S/2 на эквивалентный кольцевой канал с R) = о / Гг основана на сохранении расхода Теперь следует определить соотношения между S, D, Ri Т к профили скорости в обоих каналов, ставящихся в соответствие, сохраняются и внутренние диаметры каналов (диаметры цилиндра D), то вышеупомянутое соотношение получается приравниванием площадей шестиугольника и круга диаметром Гг
Иными словами, отношение радиусов эквивалентного кольцевого канала для продольно обтекаемого шахматного пучка труб о Г/ отличается от относительного шага цилиндров S D всего лишь на 5%
Теплообмен в образованном продольно омываемом шахматным пучком труб с поперечным оребрением моделируется четырехслойной схемой турбулентного пограничного слоя в кольцевом канале с эквивалентным оросительным радиусом Ri, рассчитанным в соответствии с соотношением (5 20) (рис 5 19)
Вывод соотношений и решение задачи о теплообмене продольно обтекаемых пучков труб с турбулизаторами с помощью четырехслойной схемы турбулентного пограничного слоя приведены в Приложении XIX
Расчетные значения для теплообмена для различных теплоносителей в продольно обтекаемых пучках труб с поперечным оребрением в дальнейшем сравниваются с соответствующими экспериментальными данными различных авторов, наиболее полно представленными в [37] На рис 5 21 расчетные данные по теплообмену, полученные по вышеприведенной четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя, для продольно обтекаемого пучка труб с поперечным оребрением для воздуха при /?/D=0,417, Ю=0,0833, /7/cU=0,0644, Шэ-=0,0129, //7=0,2 и S/D=2,6 (Rf=0,37), а также при М)=0,25, Ш=0,0833, М/э =0,097, Шэ»=0,0329, ///7=0,33 и S/D=1,8 (Я??=0,53) в зависимости от числа Рейнольдса Re=6 104-2 105 сравниваются с экспериментом Пучкова и Виноградова для попе речных точеных ребер для 7 труб с вытеснителем, приведенным в [37] Как видно из рис 5 21, расчетные данные сравнительно хорошо согласуются с экспериментом практически для всего представленного диапазона чисел Рейнольдса В табл 5 1 расчетные данные по теплообмену, полученные по вышеприведенной четы-рехслойной схеме турбулентного пограничного слоя, для продольно обтекаемого пучка труб с поперечным оребрением для широкого диапазона чисел Рейнольдса, Прандтля и геометрических характеристик ребер и межтрубного пространства сравниваются с экспериментом, приведенным в [37] Сопоставление расчета и эксперимента, проведенное в табл 5 1, доказывает, что теория адекватно описывает существующий экспериментальный материал Теоретически определенные число Нуссельта сравнивается на рис 5 22 с эмпирической зависимостью от без размерной величины турбулизаторов /?+ продольно омываемых пучков труб с поперечным оребрением с S/D=1,15 и S/D=1,25 при М/э»=0,00692-0,0349 и //7=10, предложенной в [37] и приведенных в Приложении XX
Как показывают данные, приведенные на рис 5 22, предложенная математическая модель теплообмена, основанная на четырехслойной схеме турбулентного пограничного слоя, для продольно обтекаемого пучка труб с поперечным оребрением хорошо описывает существующий экспериментальный материал вплоть до точки стабилизации Nu/Num, наступающей при /?+=20 В дальнейшем теоретические значения Nu/Num возрастают, поскольку увеличивается значение гидравлического сопротивления Следовательно, многослойные модели турбулентного пограничного слоя в не описывают процесс стабилизации для продольно обтекаемого пучка труб с поперечным оребрением при неограниченном увеличении относительной высоты выступа при относительно небольших турбулизаторов Такие же результаты были получены и для круглых труб с турбулизаторами
Похожие диссертации на Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах
